CN112526543B - 一种激光测距与主动照明复合探测系统及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光测距与主动照明复合探测系统及探测方法，其包括：激光发射装置，其用于产生第一激光束，且所述激光发射装置内设有第一分光装置，所述第一分光装置用于将所述第一激光束分为射向探测目标的照明光和第一测距光；测控子系统，其用于根据照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间；成像子系统，其用于接收照明光的反射光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。本发明可以解决相关技术中目标照明系统和激光测距系统独立布局引起的光轴不共线问题，保证系统的实时性，提高目标成像的精确度。

Description

一种激光测距与主动照明复合探测系统及探测方法
技术领域
本发明涉及激光探测领域，特别涉及一种激光测距与主动照明复合探测系统及探测方法。
背景技术
在军事对抗中，常常需要对远距离、光照度低、大气传输性差等自然条件下的目标进行成像探测。由于各种背景辐射噪声的影响，导致目标回波信号的能量很弱，有用的信号被干扰光、背景光所淹没，很难探测到目标。目前，通常采用高重频脉冲激光器作为照射光源对目标区域进行照射，经目标区域反射后的光波被光学系统接收并用于成像。为了抑制大气后向散射以获取目标区域的清晰图像，需要严格控制激光发射脉冲和成像接收设备触发快门的时间延迟。
在相关技术中，通过激光测距机来提供测距信息，由于激光测距机和光电探测设备各自独自布局，使得测距机与光电设备的光轴不共线，导致目标测量不准，降低目标的探测性能。这种独立布局方式会增大系统的体积和重量，不利于光电探测系统的小型化发展。也有一些相关技术中采用镜片位移机构来实现辅助照明和激光测距的切换。但研究发现该方案镜片位移机构不仅会影响光电系统的实时性，同时来回切换易产生固件损伤会降低系统的寿命。
因此，针对远距离微弱目标的探测，尚无一个有效的一体化探测装置能够实现既要严格控制激光发射脉冲和成像接收设备触发快门的时间延迟以获得高分辨率的目标图像，又能解决目标照明系统和激光测距系统独立布局引起的光轴不共线问题，还能保证系统的实时性，提高目标成像的精确度。
发明内容
本发明实施例提供一种激光测距与主动照明复合探测系统及探测方法，以解决相关技术中目标照明系统和激光测距系统独立布局引起的光轴不共线问题，保证系统的实时性，提高目标成像的精确度。
第一方面，提供了一种激光测距与主动照明复合探测系统,其包括：激光发射装置，其用于产生第一激光束，且所述激光发射装置内设有第一分光装置，所述第一分光装置用于将所述第一激光束分为射向探测目标的照明光和第一测距光；测控子系统，其用于根据照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间；成像子系统，其用于接收照明光的反射光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
在一些实施例中，所述激光测距与主动照明复合探测系统还包括：光学接收装置，其用于接收照明光的反射光；第二分光装置，其用于将来自所述光学接收装置的照明光分光为射向成像子系统的成像光和第二测距光；所述测控子系统用于接收所述第一测距光和第二测距光并依此计算快门开启时间和快门持续时间；所述成像子系统用于接收所述成像光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
在一些实施例中，所述测控子系统和所述成像子系统均包括用于接收照明光的反射光的光学接收装置；所述测控子系统的光学接收装置用于将接收的照明光的反射光转化为第二测距光，所述成像子系统的光学接收装置用于将接收的照明光的反射光转化为成像光；所述测控子系统用于根据所述第一测距光和第二测距光计算快门开启时间和快门持续时间；所述成像子系统用于接收所述成像光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
在一些实施例中，所述测控子系统包括光电转换单元和信号处理单元；所述光电转换单元用于将所述第一测距光转化为起始电信号、将其接收到的所述照明光的反射光转化为终止电信号；所述信号处理单元用于根据所述起始电信号和所述终止电信号计算快门开启时间。
在一些实施例中，所述信号处理单元包括放大整形电路；所述放大整形电路与所述光电转换单元相连，其用于将所述起始电信号转化为起始脉冲电压信号，将所述终止电信号转化为终止脉冲电压信号。
在一些实施例中，所述信号处理单元包括：比较模块，其用于根据所述起始脉冲电压信号、终止脉冲电压信号确定触发脉冲；计算模块，其用于根据所述触发脉冲计算所述快门开启时间和快门持续时间。
在一些实施例中，所述第一激光束为脉冲激光；所述比较模块包括比较器和计数器；所述比较器用于将t0与n/frep进行比较，并在t0<n/frep时确定第n个脉冲为触发脉冲；所述计数器用于当t0≥n/frep时将n的计数加1，直到t0<n/frep为止；所述t0为一个激光脉冲经过测控子系统的总时间；所述frep为所述脉冲激光的重复频率。
在一些实施例中，所述计算模块包括：最小景深值计算单元，其用于计算探测目标对应于成像子系统中设置的成像设备的最小景深值；快门持续时间计算单元，其用于根据第一公式计算所述快门持续时间τ0；所述第一公式为：τ0＝2×(2·Zmin+L+v·t0)/c，其中，Zmin为所述最小景深值，L为探测目标的径向长度，v为探测目标的运行速度，c为光速；快门开启时间计算单元，其用于根据第二公式计算快门开启时间top；
所述第二公式为：
Figure BDA0002801929940000031
其中，tn表示第n个脉冲的终止电信号与起始电信号之间的时间差，tn-end为第n个脉冲的终止电信号的触发时间，tn-start第n个脉冲的起始电信号的触发时间。
在一些实施例中，所述激光发射装置包括脉冲激光器和激光光束发射端；所述激光光束发射端用于将所述照明光发射至探测目标。
第二方面，提供了一种激光探测方法，其包括：激光发射装置产生第一激光束并发射到第一分光器；所述第一分光器将所述第一激光束分光成射向探测目标的照明光和第一测距光；测控子系统依据其接收的照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间；成像子系统根据所述快门开启时间和快门持续时间对所述探测目标成像。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种激光测距与主动照明复合探测系统，由于激光发射装置内设有第一分光装置，可将激光发射装置发出的第一激光束分为射向探测目标的照明光和第一测距光，同时测控子系统可根据照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间，成像子系统可接收照明光的反射光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。通过照明光与第一测距光的共光轴传输，实现了将目标照明系统和激光测距系统同光轴工作，从而快速获取目标的径向距离信息和目标的高分辨率的图像信息。同时，通过控制激光发射脉冲和成像子系统触发快门的时间延迟可抑制大气后向散射，在不影响系统实时性的情况下，获取目标区域的清晰图像，有效提高了目标成像的精确度。本发明结构简单、紧凑，不仅可以克服测距和照明回波信号的互相串扰问题，还可以解决主动照明探测和测距系统独自集成引起的光轴不共线问题，提高探测系统的集成度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种激光测距与主动照明复合探测系统的示意图；
图2为本发明实施例二提供的一种激光测距与主动照明复合探测系统的示意图；
图3为本发明实施例提供的测控子系统的示意图；
图4为本发明实施例提供的信号处理单元的示意图；
图5为本发明实施例提供的光电转换单元的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种激光探测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所述，本发明实施例一提供了一种激光测距与主动照明复合探测系统，其包括：激光发射装置，测控子系统以及成像子系统；其中，激光发射装置用于产生第一激光束，且其内设有第一分光装置，第一分光装置用于将第一激光束分为射向探测目标的照明光和第一测距光。测控子系统用于根据照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间；成像子系统用于接收照明光的反射光并根据快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
本实施例通过照明光与第一测距光的共光轴传输，实现了将目标照明系统和激光测距系统同光轴工作，从而快速获取目标的径向距离信息和目标的高分辨率的图像信息。同时，通过控制激光发射脉冲和成像子系统触发快门的时间延迟可抑制大气后向散射，在不影响系统实时性的情况下，获取目标区域的清晰图像，有效提高了目标成像的精确度。本发明结构简单、紧凑，不仅可以克服测距和照明回波信号的互相串扰问题，还可以解决主动照明探测和测距系统独自集成引起的光轴不共线问题，提高探测系统的集成度。
在一些实施例中，第一分光装置为高通过滤低反射率的分光器，可优选地，分光器镀有高透过率(>99％)、低反射率(<1％)的光学膜层，第一激光束通过分光器时，透过的激光束为射向探测目标的照明光，反射回的激光束为第一测距光，既可满足远距离探测目标照射又可避免激光损伤测控子系统。
在一些实施例中，成像子系统为高速选通相机，可用于根据距离延迟和探测目标景深来控制快门开启时间和快门持续时间。
在一些实施例中，本发明提供的一种激光测距与主动照明复合探测系统还包括光学衰减器，其可设于测控子系统，用于衰减光学信号功率。
在一些实施例中，激光发射装置包括脉冲激光器和激光光束发射端；脉冲激光器为高重频脉冲激光器，用于产生高重频的激光脉冲；激光光束发射端用于将所述照明光发射至探测目标。可优选地，激光光束发射端为高透过率的扩束准直光学系统，可采用离焦的方式改变不同作用距离时系统的光束发散角，以满足不同作用距离处的照明范围需求。
如图2所示，本发明实施例二提供了一种激光测距与主动照明复合探测系统，还包括：光学接收装置和第二分光装置；其中，光学接收装置用于接收照明光的反射光；第二分光装置用于将来自所述光学接收装置的照明光分光为射向成像子系统的成像光和第二测距光；测控子系统用于接收第一测距光和第二测距光并依此计算快门开启时间和快门持续时间；成像子系统用于接收成像光并根据快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。可优选地，光学接收装置可选用反射式卡塞格林望远镜构型。
在一些实施例中，测控子系统和成像子系统均包括用于接收照明光的反射光的光学接收装置；测控子系统的光学接收装置接收的照明光为第二测距光，所述成像子系统的光学接收装置接收的照明光为成像光；测控子系统用于根据第一测距光和第二测距光计算快门开启时间和快门持续时间；成像子系统用于接收成像光并根据快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
如图3所示，在一些实施例中，测控子系统包括光电转换单元和信号处理单元；其中，光电转换单元用于将第一测距光转化为起始电信号、将其接收到的照明光的反射光转化为终止电信号；信号处理单元用于根据起始电信号和终止电信号计算快门开启时间。
在一些实施例中，光电转换单元包括光电二极管和雪崩光电二极管。具体地，如图5所示，光电二极管用于对激光发射装置发出的第一激光束进行光电转换，将其转化为起始电信号；雪崩光电二极管用于对照明光的反射光进行光电转换，就其转化为终止电信号。需要说明的是，此处雪崩光电二极管接收到的照明光的反射光也可以是经过第二分光装置后分出的第二测距光。可优选地，雪崩光电二极管还连有半导体制冷片，其用于利用帕尔贴效应对雪崩光电二极管进行制冷，降低其暗电流，提高探测灵敏度。
如图4所示，在一些实施例中，信号处理单元包括放大整形电路；其中，放大整形电路与光电转换单元相连，其用于将起始电信号转化为起始脉冲电压信号，将终止电信号转化为终止脉冲电压信号。
在一些实施例中，放大整形电路由跨阻放大电路、压控放大电路、脉冲整形电路和噪声反馈电路组成，可对起始脉冲电压信号和终止脉冲电压信号进行整形、放大、噪声反馈，以输出能够满足触发阈值的脉冲电压信号。
如图4所示，在一些实施例中，信号处理单元包括：比较模块和计算模块；其中，比较模块用于根据所述起始脉冲电压信号、终止脉冲电压信号确定触发脉冲；计算模块用于根据所述触发脉冲计算快门开启时间和快门持续时间。比较模块还包括高速比较器和附属控制电路，以便比较模块根据接收到的起始脉冲电压信号和终止脉冲电压信号获取触发脉冲；
在一些实施例中，信号处理单元设有微控制单元，其用于控制比较模块和计算模块协同工作，同时将计算模块计算出的快门开启时间和快门持续时间转化为控制信号发送到成像子系统，以控制成像子系统根据快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
在一些实施例中，比较模块包括比较器和计数器；第一激光束为脉冲激光；比较器用于将t0与n/frep进行比较，并在t0<n/frep时确定第n个脉冲为触发脉冲；计数器用于当t0≥n/frep时将n的计数加1，直到t0<n/frep为止；其中，t0为一个激光脉冲经过测控子系统的总时间，frep为脉冲激光的重复频率。
在一些实施例中，计算模块包括最小景深值计算单元、快门持续时间计算单元以及快门开启时间计算单元；
最小景深值计算单元用于计算探测目标对应于成像设备的最小景深值；具体的，可利用如下公式计算：
Figure BDA0002801929940000081
Figure BDA0002801929940000082
其中，成像设备的最小景深值记为Zmin，其中，R为待测目标到光学接收装置的距离，f为成像设备到光学接收装置的焦距，l’为成像设备的焦点位置，D为成像设备的光学口径，d为成像设备的像元尺寸。需要说明的是，在这些实施例中所提到的成像设备是指成像子系统中设置的成像相机，一般为选通相机。
快门持续时间计算单元用于根据第一公式计算成像设备的快门持续时间τ0，其中，第一公式为：τ0＝2×(2·Zmin+L+v·t0)/c，L为探测目标的径向长度，v为探测目标的运行速度，t0为一个激光脉冲经过测控子系统的总时间，c为光速；
快门开启时间计算单元用于根据第二公式快门开启时间top，
第二公式为：
Figure BDA0002801929940000083
其中，tn表示第n个脉冲的终止电信号与起始电信号之间的时间差，tn-end为第n个脉冲的终止电信号的触发时间，tn-start第n个脉冲的起始电信号的触发时间。
第二方面，如图6所示，本发明实施例四提供了一种激光测距方法，步骤包括：
S1:激光发射装置产生第一激光束并发射到第一分光器；
S2:所述第一分光器将所述第一激光束分光成射向探测目标的照明光和第一测距光；
S3:测控子系统依据其接收的照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间；
S4:成像子系统根据所述快门开启时间和快门持续时间进对所述探测目标成像。
在一些实施例中，为有效抑制大气后向散射，当成像子系统根据快门开启时间和快门持续时间进行第一次曝光并成像后，则可根据选定的脉冲激光发射器的发射频率进行快门开启。具体的，可优选为每隔时间1/frep开启一次选通门，其中frep为脉冲激光的重复频率。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种激光测距与主动照明复合探测系统，其特征在于，其包括：
激光发射装置，其用于产生第一激光束，且所述激光发射装置内设有第一分光装置，所述第一分光装置用于将所述第一激光束分为射向探测目标的照明光和第一测距光；
测控子系统，其用于根据照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间；
成像子系统，其用于接收照明光的反射光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像；
所述测控子系统包括光电转换单元和信号处理单元；
所述光电转换单元用于将所述第一测距光转化为起始电信号、将其接收到的所述照明光的反射光转化为终止电信号；
所述信号处理单元用于根据所述起始电信号和所述终止电信号计算快门开启时间；
所述信号处理单元包括放大整形电路；
所述放大整形电路与所述光电转换单元相连，其用于将所述起始电信号转化为起始脉冲电压信号，将所述终止电信号转化为终止脉冲电压信号；
所述信号处理单元包括：
比较模块，其用于根据所述起始脉冲电压信号、终止脉冲电压信号确定触发脉冲；
计算模块，其用于根据所述触发脉冲计算所述快门开启时间和快门持续时间；
所述第一激光束为脉冲激光；
所述比较模块包括比较器和计数器；
所述比较器用于将t0与n/frep进行比较，并在t0＜n/frep时确定第n个脉冲为触发脉冲；
所述计数器用于当t0≥n/frep时将n的计数加1，直到t0＜n/frep为止；
所述t0为一个激光脉冲经过测控子系统的总时间；
所述frep为所述脉冲激光的重复频率；
所述计算模块包括：
最小景深值计算单元，其用于计算探测目标对应于成像子系统中设置的成像设备的最小景深值；
快门持续时间计算单元，其用于根据第一公式计算所述快门持续时间τ0；
所述第一公式为：τ0＝2×(2·Zmin+L+v·t0)/c，
其中，Zmin为所述最小景深值，L为探测目标的径向长度，v为探测目标的运行速度，c为光速；
快门开启时间计算单元，其用于根据第二公式计算快门开启时间top；
所述第二公式为：
Figure FDA0004063738730000021
其中，tn表示第n个脉冲的终止电信号与起始电信号之间的时间差，tn-end为第n个脉冲的终止电信号的触发时间，tn-start第n个脉冲的起始电信号的触发时间。
2.如权利要求1所述的一种激光测距与主动照明复合探测系统，其特征在于，所述激光测距与主动照明复合探测系统还包括：
光学接收装置，其用于接收照明光的反射光；
第二分光装置，其用于将来自所述光学接收装置的照明光分光为射向成像子系统的成像光和第二测距光；
所述测控子系统用于接收所述第一测距光和第二测距光并依此计算快门开启时间和快门持续时间；
所述成像子系统用于接收所述成像光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
3.如权利要求1所述的一种激光测距与主动照明复合探测系统，其特征在于：
所述测控子系统和所述成像子系统均包括用于接收照明光的反射光的光学接收装置；
所述测控子系统的光学接收装置用于将接收的照明光的反射光转化为第二测距光，所述成像子系统的光学接收装置用于将接收的照明光的反射光转化为成像光；
所述测控子系统用于根据所述第一测距光和第二测距光计算快门开启时间和快门持续时间；
所述成像子系统用于接收所述成像光并根据所述快门开启时间和快门持续时间对探测目标成像。
4.如权利要求1所述的一种激光测距与主动照明复合探测系统，其特征在于，
所述激光发射装置包括脉冲激光器和激光光束发射端；所述激光光束发射端用于将所述照明光发射至探测目标。
5.一种激光探测方法，其使用如权利要求1至4任一项所述的一种激光测距与主动照明复合探测系统，其特征在于，其包括：
激光发射装置产生第一激光束并发射到第一分光器；
所述第一分光器将所述第一激光束分光成射向探测目标的照明光和第一测距光；
测控子系统依据其接收的照明光的反射光和第一测距光计算快门开启时间和快门持续时间；
成像子系统根据所述快门开启时间和快门持续时间对所述探测目标成像。
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